Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Taki zwyczajny zasilacz... Część 7 - Przyrządy do testowania

Do sprawdzenia i optymalizacji właściwości dynamicznych budowanego zasilacza przydałyby jakieś przyrządy, które by to ułatwiały. Chcielibyśmy też, choćby tylko dla porównania, sprawdzić właściwości różnych fabrycznych zasilaczy. Spróbujmy zbudować potrzebne wyposażenie!
Article Image

Impulsowe obciążenie wyjścia

Statyczną rezystancję wyjściową można zbadać za pomocą woltomierza w prościutkim układzie z rysunku 1. Naciśnięcie przycisku spowoduje obciążenie zasilacza prądem I. Trzeba zmierzyć różnicę napięcia wyjściowego zasilacza przed i po naciśnięciu przycisku (ΔU) oraz prąd obciążenia. Statyczna, stałoprądowa rezystancja wyjściowa zasilacza ma wartość: RW(DC) = ΔU / I

Trudniej jest zmierzyć dynamiczną odpowiedź zasilacza na impuls prądu obciążenia. W zasadzie można byłoby to zrobić w układzie z rysunku 1, podłączając oscyloskop do wyjścia zasilacza i rejestrując występujące tam zmiany napięcia. Tak, ale wymaga to użycia oscyloskopu cyfrowego (z pamięcią).

Konieczność zapamiętywania wyniku jednorazowego pomiaru można usunąć, dodając generator i przekaźnik według rysunku 2. Przekaźniki zwykle mają czas reakcji do 10 milisekund, co pozwoli pracować z częstotliwością impulsów nawet kilkadziesiąt herców. Wtedy efekty można obserwować na dowolnym oscyloskopie bez żadnej pamięci, ewentualnie dodatkowo wykorzystując synchronizację zewnętrzną.

Rys.1 Prosty układ z woltomierzem
Rys.2 Układ z Rys.1 z generatorem i przekaźnikiem

Jak się jednak wcześniej przekonaliśmy, znaczącym problemem mogą się też okazać drgania styków przycisku czy przekaźnika. A trudno tu byłoby zastosować przekaźnik ze stykiem rtęciowym (są takie, tzw. mercury wetted). Należałoby nie tylko znaleźć klasyczny przekaźnik, który nie wykazuje drgań syków, ale także mieć nadzieję, że zużywanie styków nie spowoduje z czasem pojawienia się drgań. Choćby tylko dlatego trzeba z przekaźnika zrezygnować. Warto natomiast zrealizować obciążenie z impulsowo sterowanym MOSFET-em, na przykład według rysunku 3.

Zaletą jest prostota, jednak wadą rozwiązań z rysunków 1, 2 jest zmiana prądu obciążenia przy zmianach napięcia wyjściowego zasilacza. Tymczasem często chcielibyśmy zbadać sytuację przy różnych napięciach, ale tym samym prądzie obciążenia. Przydałoby się sterowane impulsowo obciążenie o charakterze źródła prądowego, a nie rezystancji. Rysunek 4 pokazuje popularne rozwiązanie źródła prądowego, które zapewne od razu przyjdzie do głowy wielu Czytelnikom.

Rys.3 Obciążenie z impulsowo sterowanym MOSFET-em
Rys.4 Popularne rozwiązanie źródła prądowego

Prąd można tu regulować nie tylko za pomocą Rs, ale też zmieniając napięcie Us. Owszem, jest to popularny schemat, który łatwo znaleźć w Internecie, ale on też, podobnie jak nasz zasilacz, ma obwód sprzężenia zwrotnego i zawiera stosunkowo powolny wzmacniacz LM358, więc też będzie charakteryzował się znaczącą bezwładnością, porównywalną z naszym zasilaczem. Byłoby to poważną wadą w przypadku testów szybkiego zasilacza, bo bezwładność takiego obciążenia może poważnie zniekształcić wyniki pomiarów. Szybkość przełączania (szybkość zmian prądu) musi być duża.

Nie ma tu jakiejś ściśle ustalonej granicy, ale rozsądek i charakterystyki z katalogów podpowiadają, że czas przełączania powinien być krótszy niż 1 mikrosekunda. Ja chciałbym nawet, żeby był krótszy niż 0,1 mikrosekundy (czyli 100ns).

Aby zachować dużą szybkość, zdecydowałem się na proste rozwiązanie, wprawdzie też ze sprzężeniem zwrotnym, ale na pewno o mniejszej bezwładności z uwagi na wykorzystanie pojedynczego (dość szybkiego) tranzystora. Sterowane impulsami proste źródło prądowe z rysunku 5 da prąd wyznaczony przez rezystancję Rs:

I ~ 0,7V / Rs

Do testów zasilacza nie jest potrzebna ani precyzyjna, ani płynna regulacja prądu obciążenia, a aktualną wartość prądu można dokładną sprawdzić, mierząc spadek napięcia na rezystorze Rs o znanej wartości.

Pewną wadą jest to, że w przeciwieństwie do wersji z rysunku 3, teraz większość strat cieplnych wydzieli się w tranzystorze MOSFET. Być może trzeba go wyposażyć w radiator, ale nawet przy dużych prądach i napięciach zasilacza nie musi to być potężny radiator – możemy bowiem układ sterować impulsami o małym wypełnieniu, co da małą średnią moc strat.

Rys.5 Sterowane impulsami proste źródło prądowe

Jeżeli już mamy obciążenie sterowane impulsami, to do dokładniejszych testów warto byłoby też mieć możliwość regulacji stromości zboczy impulsów prądu. To jest naprawdę zaawansowane wymaganie, ale możemy je łatwo zrealizować i nie przegapimy tej możliwości. Otóż szybkość włączania/wyłączania MOSFET-a, a więc stromość zboczy impulsów prądowych, można łatwo zmieniać, dodając obwód RC w obwodzie bramki według rysunku 6.

Rys.6 Obwód RC dodany w obwodzie bramki

To wzbogaci możliwości testera, ale najczęściej chcielibyśmy pracować z impulsami o jak najostrzejszych zboczach. Generator impulsów o wystarczającej stromości zboczy można zbudować na jednej kostce CMOS 40106. Aby szybko przełączyć tranzystor MOSFET, trzeba jak najszybciej przeładować jego wewnętrzne pojemności możliwie dużym prądem, co można osiągnąć za pomocą wtórnika z dwóch komplementarnych tranzystorów.

Aby zrealizować rozwiązania z rysunków 3, 5, postanowiłem zrealizować wielofunkcyjny, uniwersalny tester obciążający według rysunku 7, stosując sześć złączy śrubowych dla ułatwienia jego obsługi.

Rys.7 Wielofunkcyjny, uniwersalny tester obciążający

Tester jest zasilany napięciem z oddzielnego małego zasilacza, co zredukuje ewentualne kłopoty związane z masami. Może to być zasilacz 12V (9V...15V) minimum 100mA, niekoniecznie stabilizowany. Teoretycznie można byłoby tester zasilać napięciem 5,5V z naszego zasilacza, stosując MOSFET o małym napięciu progowym, ale takiego rozwiązania nie polecam.

Wartości R1, R2, C1 trzeba tak dobrać, by wypełnienie impulsów było małe (2...5%), co oznacza małe średnie straty mocy w testerze. Do badania szybkich zasilaczy powinien wystarczyć impuls o czasie trwania około 100 mikrosekund. W razie potrzeby czas impulsów można dowolnie zwiększyć, dodając kondensator CX1.

Zworka ZW1 pozwala wyłączyć generator i ręcznie włączać obciążenie RL wyłącznikiem (rtęciowym), dołączonym do zacisku S1.

Kondensatory C2 oraz umieszczone blisko tranzystora T2: foliowy C3 (1uF) i ceramiczny C4 (100nF) są potrzebne do uzyskania silnych, stromych impulsów prądu bramki T1.

W układzie na stałe włączony jest rezystor R4 o wartości aż 1 megaoma. Ewentualny dodatkowy kondensator dołączony do zacisku CX2 pozwoli uzyskać łagodne zbocza impulsów.

Z kolei zacisk oznaczony RXG pozwala zmniejszyć wartość rezystancji w obwodzie bramki albo włączyć tam zworę.

Zworę należy tam włączyć, gdy chcemy jak najszybciej przełączać według rysunku 3. Wtedy trzeba też zewrzeć zworą zaciski RS, a do złącza RL dołączyć rezystancję obciążenia. Uwaga! Rezystory obciążające RL muszą mieć jak najmniejszą indukcyjność, nie mogą to być rezystory drutowe (nawet tzw. bezindukcyjne)!

Aby zrealizować wersję z rysunku 5, trzeba przede wszystkim dołączyć do złącza RXG rezystor o wartości 220Ω do 1kΩ, co zapewni prawidłową pracę tranzystora T4. Trzeba też zewrzeć zaciski złącza RL, a złącze RS pozostawić otwarte. Rezystancja R7 równa 0,7 oma to równoległe połączenie trzech rezystorów 2,2Ω, co daje prąd obciążenia około 1 ampera. Aby go zwiększyć, do zacisków RS można dołączyć odpowiedni rezystor (byle nie drutowy).

W pierwotnej wersji nie było rezystora R5, a T4 był tranzystorem BC548. Jednak zgodnie z prawem Murphy’ego już przy wstępnych testach wersji z rysunku 5 spaliłem tranzystor T4, bo w złączu RXG pozostawiłem zworę, zamiast włączyć tam rezystor 220Ω...1kΩ. Po tej nauczce w roli T4 wlutowałem BD135 i dodałem chroniący go rezystor R5.

Fot.8 Tester zasilaczy

Z uwagi na spodziewane strome zbocza impulsów należy minimalizować szkodliwe indukcyjności i pojemności: połączenia/przewody powinny być możliwie krótkie, a cały tester – możliwie mały, a nie rozwlekły. To ważna informacja dla osób, które wykonują eleganckie, ale duże i rozwlekłe modele – w tym przypadku potrzebny jest zwięzły, kompaktowy montaż. Zrealizowany model pokazany jest na fotografii 8. W obwodach, gdzie mogą popłynąć duże prądy impulsowe, zastosowałem większe zaciski śrubowe, a w obwodach niskoprądowych – mniejsze oraz goldpiny i listwy goldpinowe.

Wstępne testy pokazały, że można uzyskać zaskakująco strome zbocza impulsów prądu w obu wersjach z rysunków 3 i 5. Jak widać na rysunku 9, czas narastania to znikome 12 nanosekund!

Rys.9 Wykres do Rys.3 i 5

Tak, ale niestety jednocześnie widać dość duży (około 50-procentowy) przerzut. Rysunek 10 pokazuje oba zbocza w wersji z rysunku 5 z rezystancją RL = 10Ω według fotografii 11 (22 rezystory 56Ω). Wyłączanie jest bardzo szybkie, ale niestety, po wyłączeniu tranzystora pojawia się zakłócenie. Przyczyną są wewnętrzne pojemności MOSFET-a T1.

Rys.10 Wykresy do Rys.5
Fot.11 22 rezystory 56Ω

Wprawdzie całe to króciutkie zakłócenie w postaci sinusoidy 45MHz tłumionej w ciągu 60 nanosekund (po trzech okresach) można byłoby od biedy pominąć i zaakceptować. Ja jednak chciałem wyczyścić przebieg, co wiązało się z dalszymi testami. Na wielkość zakłócenia ma też wpływ stromość napięcia na bramce. Rysunek 12 pokazuje przebieg z mniejszymi zakłóceniami, który uzyskałem, gdy bramkę T1 dołączyłem wprost do wyjść pięciu bramek generatora, z pominięciem tranzystorów T2, T3.

Rys.12 Przebieg po modyfikacjach

Czas narastania i opadania nadal jest znakomity, o połowę krótszy od założonych 100ns. A zakłócenie przy wyłączaniu można zlikwidować, włączając odpowiednio dobrany gasik RC między dren i źródła T1 według rysunku 13.

Rys.13 Likwidacja zakłócenia przy wyłączaniu

Podjąłem próby z różnymi wartościami elementów gasika. W wersji bez tranzystorów T2, T3 uzyskałem zbocza pokazane na rysunku 14 z elementami RT = 4,7Ω, CT = 2,2nF. Też krótsze niż 100ns.

A wyniki pokazane na rysunku 15 uzyskałem w wersji z tranzystorami T2, T3 i z rezystorem bramkowym RXG = 22Ω i gasikiem RT = 0,5Ω, CT = 2,2nF.

Rys.14 Wersja bez tranzystorów T2, T3
Rys.15 Wersja z tranzystorami T2, T3

Rezultat znakomity!

Niestety, układ z gasikiem wzbudził się po przełączeniu na źródło prądowe według rysunku 5. Mogłem próbować zlikwidować samowzbudzenie, na przykład zmniejszając wzmocnienie przez dołączenie rezystora w emiterze T4 (np. do 22Ω, co też zwiększa prąd źródła). Jednak także w związku z innymi wcześniejszymi obserwacjami i wynikami prób zmodyfikowałem pierwotne zamierzenie. Zamiast jednego uniwersalnego obciążenia, postanowiłem zrobić dwie oddzielne wersje według rysunków 3 i 5, jeszcze bardziej kompaktowe, z jeszcze krótszymi połączeniami i z odłączanym generatorem bez symetrycznego wtórnika tranzystorowego. Taki odłączany generator będzie też wykorzystywany w innych konstrukcjach.

Uniwersalny generator

Schemat modułu generatora, pokazany na rysunku 16, zasadniczo jest taki sam, jak na rysunku 7, tylko jest znacznie bardziej uniwersalny.

W obwodzie zasilania włączony jest kondensator elektrolityczny C2 = 100uF oraz ceramiczny C1 = 100nF, przylutowany pod układem scalonym bezpośrednio do nóżek, co pomaga uzyskać czyste zbocza impulsów. Na płytce wlutowany jest tylko jeden rezystor ustalający częstotliwość, a pozostałe elementy należy dołączyć z zewnątrz do dwóch zacisków śrubowych. Ja do zacisku Cx dołączyłem kondensator 6,8nF, a do potrójnego zacisku oznaczonego DR dołączyłem szeregowo połączone diodę 1N4148 i rezystor 22kΩ, co dało na wyjściu krótkie impulsy około 110us o wypełnieniu około 2%. Na płytce przewidziano szereg szpilek (goldpinów), głównie w obwodach zasilania. Założenie jumperka na zworę ZW1 zatrzymuje generator i daje stan niski na wyjściach oznaczonych OUT.

Rys.16 Schemat modułu generatora

Za pomocą listwy-gniazda GN generator ma współpracować z innymi układami, wyposażonymi w szpilki-goldpiny. Listwa GN ma pięć punktów tak połączonych, żeby moduł działał jednakowo dobrze także przy odwrotnym dołączeniu do współpracującego układu. Generator może być zasilany ze współpracującego układu przez listwę GN, ale można też zasilanie dołączyć do generatora. Mój model pokazany jest na fotografii 17.

Fot..17 Generator

Pomimo prostoty i zastosowania starego układu CMOS 40106, na wyjściu uzyskuje się ostre zbocza. Rysunek 18 pokazuje przebiegi uzyskiwane przy zasilaniu 12V na wyjściu nieobciążonym i obciążonym rezystorem 220Ω. Stromość zboczy jest rewelacyjnie dobra (rzędu 10ns), a zmniejszenie amplitudy pod obciążeniem wskazuje, że rezystancja wyjściowa generatora wynosi około 70Ω. 70 omów to wartość bliska standardowej – większość profesjonalnych generatorów ma rezystancję wyjściową 50Ω.

Rys.18 Zasilanie 12V na wyjściu nieobciążonym i obciążonym rezystorem 220Ω

Taki malutki, zgrabny generator wytwarzający niemal dowolne przebiegi prostokątne o amplitudach 3...18V przyda się nie tylko do testowania zasilaczy. Może być wykorzystany w najróżniejszy sposób. W następnym odcinku omówimy cztery przystawki, które będą z nim współpracować.

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich maj 2020
Udostępnij
UK Logo